Abstract
本實驗最終目的是希望利用離子佈植方法有效的製備氮化鎵稀磁半導體，使半導體中的載子除了帶有電荷特性外，也能具有電子自旋的自由度。 在本實驗室以往的實驗中，在鍍有鎳層的氮化鎵佈值鐵3x1016 ＃/cm2退火條件為700℃五分鐘下電阻高達126 MΩ。當我們改以熱穩定較佳的氮化矽作為擴散阻擋層時，在900℃五分鐘的退火條件下，仍舊會氮化鎵表面觀察到具有鐵磁性的BCC鐵析出。 當由摻雜原子方面著手時，以在氮化鎵內擁有較穩定鐵磁態的鉻作為佈值元素，進行鉻佈值劑量為1×1016 # /cm2、3×1016 # /cm2，退火溫度分別為700、800 ℃五分鐘的實驗中並無觀察到任何第二相析出。在磁性量測結果得知，所有的製程條件的飽和磁化量皆在1×10-4（emu/cm2）數量級左右，且居禮溫度都接近室溫。 在霍爾量測方面，當以un-doped GaN作為基材時， 因為材料本身不具載子，且因離子佈值產生的缺陷，使材料的電性表現較差。在所有的製程條件下，因材料電阻過大而未觀察到異常霍爾效應，此結果說明在外加磁場的情況下，電荷的傳導過程並未利用電子自旋的特性。 為了改善此問題，我們在佈值鉻原子前先在氮化鎵表層佈值了一層矽，希望藉由此方法提高佈值層的載子濃度。我們選用了40keV的能量來摻雜劑量為1×1014 # /cm2的矽原子，在佈值後進行1200℃ 1小時的退火處理。而後續接著佈值鉻原子，劑量選擇了1×1016 # /cm2 退火溫度為700、800℃ 5分鐘。 在製備好摻矽的氮化鉻鎵稀磁半導體材料後，我們從穿透式電子顯微鏡與超導量子干涉儀觀察結果得知，摻雜矽對材料的微結構與磁性值並未有任何影響。然而在霍爾量測結果我們發現，佈值1×1014 # /cm2的矽對於電性並無多大的改善，因此並無法把電流侷限在佈值層內流通。主要原因可能在於矽所摻雜的劑量太低。 由上述實驗結果得知，以離子佈植法製備稀磁半導體，在磁性量測方面確實可以得到接近室溫的居禮溫度。但在電性方面，當欲以提高退火溫度改善晶格缺陷時，在氮化鎵表面會有第二相析出。而較低的退火溫度卻無法使摻雜載子活化與晶格有效回復，因此在往後的研究中我們應首先改善電性，以提升稀磁半導體材料在元件上的應用價值。